电子信息技术与生命科学的融合sc

电子信息技术与生命科学的融合

摘要：本文主要介绍了电子克隆，基因芯片，电子细胞等三方面关于电子技术与生物学融合相关的内容。生物医学电子学目前尚是一个采用单向移植和双科交融的边缘科学，从交叉学科的层次来看，尚处于较低的层次，但是它肩负着生命科学与信息科学两个自然科学领头羊的交叉任务，因此面向21世纪，人类必须运用创新的发散思维，即采用对现有科学的求异和批判思维，建立更开放的大学科观，以迎接21世纪的挑战。

关键词：基因芯片；电子细胞；电子克隆

生命科学与信息科学将并肩齐驱，交叉配合领导其他科学技术进步。今后科学发展的水平，在很大程度上取决于各个领域中的科学技术究竟能向人类自身的机体逼近到何种程度。而在解决这一类问题中，21世纪的生命科学的研究成果将以特有的方式向自然科学的其它学科进行积极的反馈与报答。

1 基因芯片

1.1 基因芯片技术及其发展

生物芯片的概念由Fodor等人在1991年提出，是指能够快速并行处理多个样品并对其所包含的各种生物信息进行解剖的微型器件，它的加工运用了微电子工业和微机电系统加工中所采用的一些方法，只是由于其所处理和分析的对象是生物样品，所以叫生物芯片（Biochip）。在生物芯片技术中，基因芯片技术建立最早，也最为成熟。基因芯片，又称DNA微阵列（DNA microarray），是把大量已知序列探针集成在同一个基片（如玻片、膜）上，经过标记的若干靶核苷酸序列与芯片特定位点上的探针杂交，通过检测杂交信号，对生物细胞或组织中大量的基因信息进行分析。其突出特点在于高度并行性、多样性、微型化和自动化。高度的并行性不仅可以大大提高实验的进程，而且有利于DNA芯片技术所展示图谱的快速对照和阅读。多样性可以在单个芯片中同时进行样品的多参数分析，从

而避免因不同实验条件产生的误差，大大提高分析的精确性。微型化可以减少试剂用量和减小反应液体积，降低实验费用。高度自动化则可以降低制造芯片的成本和保证芯片的制造质量。

基因芯片的制备方法主要有两种：原位合成法和点样法。从目前应用的情况来看，原位合成的基因芯片的密度高，重复性好，制备过程中的质量控制比较容易，但是成本较高。而点样技术主要应用在部分没有商业化芯片的物种的基因芯片的制备，制备的成本较低。原位合成的芯片是今后的一个发展和应用方向。基因芯片的原位合成法是基于组合化学的合成原理，通过一组定位模板来决定基片表面上不同化学单体的偶联位点和次序，把腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）四种不同碱基的核苷酸按不同次序化学偶联在相应的位点，原位合成序列不同的寡核苷酸探针，形成DNA芯片。该方法的优点在于精确性高，缺点是制造光掩蔽剂既费时又昂贵。

1.2 基因芯片技术的应用和发展趋势

随着基因芯片技术的日渐成熟，在功能基因组、疾病基因组、系统生物学等领域中得到了广泛的应用，已经发表了上万篇研究论文，每年发表的论文呈现增长的趋势。芯片制备技术极大地推进了生物芯片的发展，从实验室手工或机械点制芯片到工业化原位合成制备，从几百个点的芯片到几百万点的高密度芯片，生物芯片从一项科学成为一项技术，被越来越多的研究者广泛运用。各个实验室不断产生海量的杂交数据，相同领域的研究者需要比较不同实验平台产生的数据，作为基于分子杂交原理的高通量技术，芯片实验的标准化、可信度、重现性和芯片结果是否能作为定量数据等问题成为所有的芯片使用者关心的课题。迈阿密原则和微阵列质量控制系列研究回答了这两个问题。迈阿密原则（MIAME，微阵列实验最小信息量）提出了生物芯片标准化的概念，该原则的制定使世界各地实验室的芯片实验数据可以为所有的研究者共享。

目前基因芯片的制备向两个主要方向发展。第一，高密度化，具体表现为芯片密度的增加，目前原位合成的芯片密度已经达到了每平方厘米上千万个探针。一张芯片上足以分析一个物种的基因组信息。第二，微量化，芯片检测样品的微量化，目前芯片检测下限已经能达到纳克级总RNA水平，这为干细胞研究中特别是IPS干细胞对单个细胞的表达谱研究提供了可能。另一方面，微量化也体现芯

片矩阵面积的微量化，即在同一个芯片载体上平行的进行多个矩阵的杂交，大大减少系统和批次可能带来的差异，同时削减实验费用。

2 电子细胞

2.1 电子细胞研究的发展

电子细胞亦称虚拟细胞（Virtual Cell）。它是在计算机上模拟真实细胞的结构、物质组成、生命活动的动力学行为和生命现象，用虚拟现实的方式实现友好人机交互，以便研究者构造细胞结构和其内外部环境物质组成，考察、记录细胞实验现象和功能，再现细胞生命活动和发现新的生物学现象规律。因此，电子细胞亦称人工细胞，是人工生命的重要基础部分。

电子细胞是多学科领域的一项交叉学科技术，从广义上说，它应该属于新兴的生物信息学科范畴。它包含了细胞生命活动信息的获取、处理、储存、分发、分析、综合和解释等在内的所有方面，它综合运用数学、信息科学技术和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义电子细胞的实现极为复杂，它综合了生物学、生理学、生物化学、数学、物理学、化学和信息科学等多学科的理论知识，达到对细胞的结构和功能进行分析和整合的一门新兴交叉学科方向。很明显，它是新兴的生物信息学和生命信息学研究的最重要内容之一。

电子细胞的发展大体上可以分为三个阶段，首先是构造阶段，这一阶段主要研究电子细胞的物质构成、基本功能模拟，细胞内外环境与组成物质的动力学行为特性知识库系统建立，方便的人机交互可视化界面及开放的网络设计支撑平台（包括计算的数学库，图像图形工具，网络通信工具、设计工具、计算环境、专业数据库等）；其次，是细胞功能行为模拟试验和优化完善阶段；第三是应用阶段，这一阶段电子的细胞已具备了强大的模拟真实细胞的能力，在细胞的类型、数量、种类上极为丰富，功能上也基本完善实用，成为医学、生物学、生化工程，能源和环境等领域实际应用的一种不可或缺的重要工具，是相应产业的重要支撑技术。目前，国际上的主要工作仍处于第一阶段，即构造研究阶段。

2.2 电子细胞的研究内容

电子细胞是在电子系统设备上，主要是计算机及其网络，模拟再现细胞生命